分析電制動在水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)中的應(yīng)用

【摘要】水輪發(fā)電機(jī)的電氣制動停機(jī)是理想的制動方式，但是隨著它的投入也導(dǎo)致一些新問題。本文作者闡述了水輪發(fā)電機(jī)電氣制動系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)途徑，給出了電制動的各種改造方案，并結(jié)合電站勵磁系統(tǒng)，并對各方案具體原理、實(shí)現(xiàn)及特點(diǎn)進(jìn)行深入探討。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械制動裝置電氣制動

水輪發(fā)電機(jī)組由于啟動、停機(jī)方便迅速，因而在電網(wǎng)系統(tǒng)中常肩負(fù)起調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用的重大責(zé)任。大、中型水輪發(fā)電機(jī)組在停機(jī)過程中，為了縮短機(jī)組的惰性時間，防止在轉(zhuǎn)速逐漸下降過程中推力軸承的油膜減薄、變干、發(fā)生硬碰硬的摩擦而燒壞推力軸瓦的現(xiàn)象，水輪發(fā)電機(jī)組在低轉(zhuǎn)速區(qū)必須進(jìn)行連續(xù)的強(qiáng)制剎車。尤其是機(jī)組被迫在高轉(zhuǎn)速下投入機(jī)械制動時，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量巨大，制動閘塊和制動盤間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和扭曲應(yīng)力，造成制動盤變形、龜裂甚至折斷損壞。

一、電制動原理

電制動原理是基于同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)，見圖1。制動時將發(fā)電機(jī)出口三相短路，給轉(zhuǎn)子加恒定電流，由電樞電流產(chǎn)生的電樞磁勢可分解為直軸分量和交軸分量。直軸分量（即無功分量）僅產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩；而交軸分量（即有功分量）則產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)距，其方向與慣性轉(zhuǎn)距方向相反，從而實(shí)現(xiàn)減速制動停機(jī)。

當(dāng)機(jī)組與電網(wǎng)解列、滅磁以后，待轉(zhuǎn)速大約降至額定轉(zhuǎn)速的50%～60%時，將發(fā)電機(jī)定子在機(jī)端出口三相短路，通過一系列邏輯操作，切換勵磁電源；同時，勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)至電制動模式運(yùn)行，給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加恒定勵磁電流。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)正在轉(zhuǎn)動，定子在轉(zhuǎn)子磁場的作用下，感應(yīng)產(chǎn)生短路電流，由此產(chǎn)生的電磁力矩正好與轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)向相反。在機(jī)組制動期間，該制動力矩和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在水中轉(zhuǎn)動摩擦引起的水阻力矩、發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗引起的風(fēng)摩擦阻力矩及軸承摩擦損耗引起的阻力矩構(gòu)成機(jī)組總的阻力矩。電制動力矩ME表達(dá)式為：

RES為電制短路開關(guān)；GCB為發(fā)電機(jī)出口斷路器；MB為主變；LB為勵磁變；ZB為制動變；QF1，QF2為空氣斷路器；AVR為機(jī)端電壓控制；FMK為滅磁開關(guān)；L為轉(zhuǎn)子繞組。

2.2電制動工作流程

當(dāng)停機(jī)信號給出、機(jī)組與系統(tǒng)解列后，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉，同時發(fā)電機(jī)逆變滅磁。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到50%的額定轉(zhuǎn)速以下時，由監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入令，電制動過程的流程控制是通過勵磁系統(tǒng)的專用可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)。（1）檢測電制動投入的條件。正常停機(jī)時，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后，監(jiān)控系統(tǒng)就會向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出停機(jī)令，由勵磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行逆變滅磁。在具備以下條件時，監(jiān)控系統(tǒng)向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動投入命令，即：①機(jī)組停機(jī)令已發(fā)；②發(fā)電機(jī)出口斷路器已分；③滅磁、發(fā)電機(jī)機(jī)端殘壓<10% UN；④導(dǎo)葉全關(guān)，機(jī)組不再有原動力矩；⑤發(fā)電機(jī)無內(nèi)部電氣故障；⑥機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%的額定值以下。（2）當(dāng)勵磁系統(tǒng)的電制動PLC檢測到電制動投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖繼電保護(hù)、分勵磁變副邊開關(guān)QF1，合短路開關(guān)RES、合電制動電源交流開關(guān)QF2。（3）控制勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入電制動模式，使勵磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組輸出設(shè)定的勵磁電流值（60% If N）形成制動力矩，完成電制動。（4）在電制動過程中，任何一步如果不能滿足電制動的條件，那么PLC都會發(fā)信號轉(zhuǎn)為機(jī)械制動，并向計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信號，電制動退出；同時進(jìn)入第7步。（5）當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于10%時，電制動完成，PLC向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)逆變滅磁信號，滅磁成功后進(jìn)入第7步。（6）逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關(guān)，然后進(jìn)入第7步。（7）當(dāng)完成第3～5步或第6步后，PLC同時發(fā)信號給電制動電源交流開關(guān)QF2、短路開關(guān)RES、合整流變副邊開關(guān)QF1，解除發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)，使勵磁裝置恢復(fù)到正常開機(jī)前的狀態(tài)。

2.3機(jī)械制動流程

（1）啟動機(jī)械制動應(yīng)具備的條件為：機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到10%的額定值或電制動失敗。（2）機(jī)械制動啟動后，保持?jǐn)?shù)秒后復(fù)歸啟動信號。

2.4電制動失敗

在電制動過程中，PLC始終對整個制動過程進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)遇到以下異常情況時，PLC將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電制動失敗報警信號，并退出電制動過程。此時，監(jiān)控系統(tǒng)會投入機(jī)械制動裝置完成制動。（1）在規(guī)定時間內(nèi)QF1不能分?jǐn)啵騌ES、QF2開關(guān)不能合上。（2）電制動時間過長（超過300s）。（3）電制動啟動后一定時間內(nèi)，勵磁電流小于空載勵磁電流的50%。（4）定子電流大于額定定子電流的130%。

2.5水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)后的檢查項(xiàng)目

（l）進(jìn)水口和壓力管道等經(jīng)運(yùn)行后應(yīng)無變化現(xiàn)象。（2）水輪機(jī)各部分應(yīng)無不正常的漏水現(xiàn)象。（3）密封填料和軸承殼應(yīng)無異常現(xiàn)象。（4）發(fā)電機(jī)軸承殼和繞組、滑環(huán)與電刷接線柱等不應(yīng)過熱，刷并接觸應(yīng)良好，不應(yīng)有灼痕。（5）配電屏上各電器（開關(guān)、熔絲、電阻、電容等）應(yīng)無過熱和灼痕。（6）變壓器油位和色澤應(yīng)正常，并無過熱或漏油現(xiàn)象。

三、電制動對繼電保護(hù)的影響

（1）電制動的短路點(diǎn)一般設(shè)在發(fā)電機(jī)出口與斷路器之間，在發(fā)電機(jī)差動保護(hù)范圍之內(nèi)。制動時將在差動保護(hù)回路內(nèi)形成差流，為防止差動保護(hù)動作、誤發(fā)信號，在投電制動時將保護(hù)閉鎖。（2）通常，發(fā)電機(jī)是采用零序過電壓型定子接地保護(hù)裝置，對于消弧線圈接地保護(hù)方式而言，在電制動停機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1/3的額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)定子繞組中3次諧波電勢引起的基波電壓諧振，將導(dǎo)致保護(hù)誤動作。采取電制動停機(jī)時，將發(fā)電機(jī)短路接地，以有效地消除其串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

四、結(jié)束語

電制動只有電磁聯(lián)系，無機(jī)械直接接觸，它能克服機(jī)械制動的缺點(diǎn)，同時，機(jī)械制動可作為電制動失敗或機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)電氣事故時的后備制動。

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